Micro-usinage: le passage du chaud au froid ouvre de nouvelles perspectives
De nouvelles techniques d'usinage repoussent les limites de la précision et de la miniaturisation
La miniaturisation est aujourd’hui considérée comme une évidence. Tout devient plus petit, plus léger et souvent doté de fonctionnalités supplémentaires. La microélectronique en est l’un des moteurs. Au final, l’application finale nécessite souvent des composants de mécanique de précision très petits, répondant à des exigences de qualité élevées. Ou encore des outils permettant de fabriquer ces composants. Le fraisage CNC reste-t-il alors la meilleure solution?
Petites fraises, exigences élevées
Alors qu’il y a dix ans, les fraiseurs s’émerveillaient encore devant une fraise de 1 mm de diamètre, on utilise aujourd’hui des outils d’un diamètre de 0,1 mm, voire moins. Une fraise conique à doigts, par exemple. Cette évolution vers le micro-domaine exige bien plus que le simple outil. Elle impose des exigences extrêmes en matière de stabilité de la machine, de précision de concentricité de la broche et de maîtrise de la dilatation thermique.
Dès que les dimensions des pièces à usiner diminuent, des facteurs auparavant négligeables deviennent des variables critiques. Citons notamment l’amortissement des vibrations du banc de la machine ou l’enlèvement minimal par dent, qui, dans le cas du micro-fraisage, se situe souvent à l’échelle du micromètre.
Technologie laser et nouveaux matériaux de coupe
Le développement de micro-fraises à partir de 0,05 mm a été rendu possible en partie grâce à la technologie laser femtoseconde. Celle-ci permet aux fabricants d’usiner avec une grande précision des matériaux de coupe tels que le PCD et le CBN, sans imposer de contraintes thermiques ni mécaniques au matériau de coupe. Avec des outils aussi petits, cela est pratiquement indispensable. En raison de son extrême dureté, de sa résistance à l’usure et de sa stabilité thermique, le PCD est particulièrement adapté au micro-fraisage.
La technologie laser joue un rôle de plus en plus important à tous les égards
Avec la rectification conventionnelle, il est beaucoup plus difficile, voire impossible, d’obtenir la géométrie souhaitée. Grâce au laser à impulsions ultra-courtes (10⁻¹⁵ seconde, soit un milliardième de seconde), il est possible de créer, sur des outils de 50 µm, des arêtes de coupe qui réduisent les forces et évacuent mieux les copeaux.
Micro-fraisage assisté par ultrasons
Le micro-fraisage représente un défi non seulement pour le fabricant d’outils, mais aussi pour l’opérateur de la fraiseuse CNC lui-même. Cela commence déjà par la machine CNC permettant d’utiliser correctement des fraises d’un diamètre inférieur à 1 mm. Ne serait-ce qu’en raison de leur petit diamètre, ces fraises nécessitent des vitesses de rotation plus élevées : rapidement 30 000 tours par minute, voire davantage à mesure que la fraise devient plus petite. Les vitesses de rotation peuvent atteindre 60 000 tours par minute, voire plus. L’ensemble de la machine doit être adapté à ces conditions, notamment en termes de stabilité (thermique).
C’est là qu’un piège guette lorsqu’on achète ce qu’on appelle des accélérateurs de broche. Celles-ci promettent certes des vitesses de rotation extrêmement élevées, mais si la machine n’est pas conçue pour la dynamique du micro-fraisage, cela se traduira notamment par une rupture rapide de l’outil, en partie parce que l’avance par dent est maintenue à un niveau trop bas. En effet, la fraise subit toujours une résistance physique due à la pénétration du matériau à usiner dans la pièce. Les forces de processus peuvent devenir trop importantes, ce qui provoque une flexion de la micro-fraise (entraînant un manque de précision) ou sa rupture.
Une solution possible réside dans le micro-fraisage assisté par ultrasons. La combinaison avec des vibrations à haute fréquence réduit les forces de coupe et abaisse la température pendant le fraisage. Cela contribue également à réduire les contraintes résiduelles dans la pièce. Cela a un effet positif tant sur la durée de vie de l’outil que sur la rugosité de surface de la pièce.
Les bonnes capacités de mise en forme 3D du micro-fraisage et son accessibilité en termes de machines, d’outils et de porte-outils s’accompagnent toutefois de contraintes liées au rapport d’aspect et à la dureté du matériau de la pièce (jusqu’à 62 HRC).
Électroérosion: là où le micro-fraisage s’arrête
Ces deux dernières limitations ne s’appliquent pas à l’électroérosion. L’électroérosion à micro-fil permet en effet de réaliser des rainures très profondes dans des matériaux durs, à condition qu’ils soient conducteurs. Cela met immédiatement en évidence la limite de la micro-électroérosion: la céramique et le plastique ne peuvent pas être usinés par ce procédé. L'électroérosion à fil et par enfonçage sont des procédés sans contact; il n'y a donc pas de forces de processus.
L'électroérosion est largement utilisée dans la fabrication de matrices, tout comme dans la production de composants de précision de haute technologie. L'inconvénient de cette technologie est que l'électroérosion est un processus lent et que, dans le cas de l'électroérosion par enfonçage, l'électrode est soumise à l'usure.
Un autre problème typique est l’apparition de ce qu’on appelle la zone affectée thermiquement et la couche de recristallisation, cette couche blanche qui se forme après le processus d’électroérosion. Cette couche se forme lorsque le matériau se solidifie à nouveau. En fonction de la quantité d’énergie apportée, cette couche a une épaisseur comprise entre 5 et 200 µm (pour le titane). Dans cette couche, le matériau est plus dur et sa résistance est accrue, ce qui le rend plus fragile. Le refroidissement rapide peut en outre entraîner l'apparition de microfissures.
Pour les applications critiques, notamment dans l'industrie aéronautique, cela est inacceptable, car on craint que ces microfissures ne réduisent la durée de vie d'un composant soumis à des charges variables. En ajustant les paramètres du procédé, il est possible de réduire l’épaisseur de cette couche, voire de l’éviter. Cela est possible grâce à la nouvelle génération de générateurs EDM qui, associés à un nouveau type de fil, enlèvent moins d’un micron de matière. De ce fait, pratiquement aucune chaleur n’est plus introduite dans le matériau. En effectuant cette opération lors de la dernière passe, on évite la formation de la couche de recast. Sinon, il faut procéder à un post-traitement, par exemple par grenaillage, ablation laser ou traitement thermique. Cela implique toutefois une étape supplémentaire dans le processus.
Micro-découpe au jet d’eau
Pour les applications où la zone affectée thermiquement (HAZ) est absolument à proscrire, on peut envisager la micro-découpe au jet d’eau abrasif. Ce procédé utilise de fins jets d’eau (inférieurs à 0,2 mm) et est entièrement à froid, ce qui évite tout durcissement du bord de coupe.
Il n’y a pas non plus de formation de bavures. Ce procédé est notamment utilisé pour la découpe du titane destiné aux applications médicales et aux composants aérospatiaux. Bien que la découpe par micro-jet d’eau soit polyvalente en termes de matériaux et puisse être en grande partie automatisée, elle présente l’inconvénient d’une découpe 3D limitée. Comme son nom l’indique, il s’agit d’une technique de découpe et sa précision est inférieure à celle de l’usinage au laser, par exemple.
PECM: une alternative à l’EDM
Une technologie alternative qui a gagné du terrain ces dernières années, notamment dans l’industrie de précision néerlandaise, est l’usinage électrochimique de précision (PECM), une évolution plus précise de l’ECM. Alors que l’EDM est un procédé thermique qui fait fondre le matériau, le PECM est un procédé à froid. Les ions métalliques sont dissous, sans apport de chaleur. Son essor aux Pays-Bas s’explique en partie par le fait que la formation de bavures constitue un problème de plus en plus fréquent dans l’industrie de précision. Dans l’industrie des semi-conducteurs notamment, mais aussi dans l’industrie médicale, les micro-bavures sont absolument à proscrire.
Le PECM se prête bien à l’usinage de matériaux tels que les métaux durs, l’Inconel et l’Hastelloy, car il n’entraîne pas la formation de bavures. Contrairement à l’EDM, il n’y a pas non plus d’apport de chaleur ni d’usure de l’électrode.
Le PECM est traditionnellement une technologie destinée aux grandes séries. Mais comme il permet d’usiner ces métaux sans bavures, une étape d’usinage manuelle coûteuse est supprimée. Cela modifie le modèle économique du PECM et rend cette technologie également adaptée aux petites séries. Cet avantage est renforcé par la possibilité de combiner plusieurs composants dans un seul outil, qui sont ensuite produits en une seule étape de processus.
Le procédé PECM nécessite une électrode, mais celle-ci ne s’use pas. L’électrode fait office de cathode, tandis que la pièce à usiner est l’anode. L’axe Z hydraulique de la machine amène cette électrode, à une fréquence pouvant atteindre 100 Hz, à une distance de 10 µm de la pièce à usiner. Chaque fois que l’électrode se trouve à cette distance, une impulsion de courant de 1 000 à 1 200 ampères (5 à 10 V) est émise, après quoi l’électrode est retirée et rincée à l’électrolyte afin d’éliminer les ions métalliques.
L’électrolyte est une solution saline. Le sel empêche les ions métalliques de se fixer sur l’outil. Grâce à cela, et au fait que les ions métalliques sont immédiatement éliminés par rinçage, aucune chaleur n’est générée. Le PECM est un procédé à froid; les microfissures sont exclues. La rugosité de surface est de Ra < 0,05 µm immédiatement après le procédé.
Ablation laser: évaporation du matériau
Une quatrième technologie pour la production de composants micro et de précision est l’ablation laser. Le faisceau laser évapore une couche métallique très fine et crée ainsi la forme 3D souhaitée. L’intérêt croissant pour l’ablation laser est largement lié aux avancées en matière de sources laser. Les lasers pico- et femtosecondes sont devenus plus puissants et plus accessibles à un plus grand nombre d’entreprises manufacturières. Ces deux lasers à impulsions ultracourtes injectent une très grande quantité d’énergie dans le matériau en un temps très court (picoseconde ou femtoseconde) et le vaporisent.
Le grand avantage de cette technologie réside dans la possibilité d’usiner tous les matériaux et de créer des structures extrêmement minuscules. De plus, la qualité de surface est très élevée et l’apport de chaleur est très faible (lasers picosecondes) voire pratiquement nul (lasers femtosecondes). Il est possible d'obtenir des rugosités de surface de Ra 0,23 µm. Cela permet de créer des arêtes très nettes et d'éviter les microfissures. De plus, aucun outil spécial n'est nécessaire, contrairement à l'EDM et au PECM. Les machines sont programmées directement à partir du modèle CAO.
L'inconvénient réside toutefois dans la relative lenteur du processus. Par rapport au micro-fraisage CNC, l’enlèvement de matière est bien moindre dans un même laps de temps. De plus, cette technologie est moins adaptée à la fabrication de parois profondes. Le problème réside dans la courbure gaussienne du faisceau laser: sa forme s’apparente davantage à un sablier qu’à un faisceau parfaitement droit.
Il est donc impossible de réaliser des parois perpendiculaires; une inclinaison d’environ 10 degrés apparaît à la base. C’est pourquoi cette technologie est utilisée pour les films et les tôles très fines. L’un des fabricants de machines d’ablation laser a réussi à résoudre ce problème grâce à une adaptation logicielle, qui permet de maintenir le faisceau à une inclinaison de 0 degré. L’usinage au micro-laser peut ainsi remplacer le micro-fraisage (diamètre de fraise inférieur à 200 µm) ainsi que le meulage dans ce type d’applications, pour des épaisseurs de matériau allant jusqu’à 100 microns.
Encore plus avec le laser
Le laser à impulsions ultra-courtes a également trouvé son application dans la découpe de fines feuilles métalliques d’une épaisseur allant jusqu’à 5 microns. Comme aucune chaleur ne pénètre dans la feuille, il s’agit en fait d’une ablation laser. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour traiter efficacement ces feuilles extrêmement fines, ce qui est impossible avec le laser à onde continue (CW) en raison de la chaleur libérée dans le matériau. Parmi les applications, on peut citer notamment la découpe au laser de petits trous d’une dizaine de microns de diamètre dans une feuille isolante.
Une autre nouvelle possibilité est la découpe au laser de feuilles de magnésium. Jusqu’à présent, cela était impossible car le magnésium s’enflamme rapidement. Le laser femtoseconde permet d’éviter ce phénomène. Cela signifie que les microcomposants qui étaient jusqu’à présent découpés dans du titane peuvent désormais être encore plus légers grâce à l’utilisation du magnésium.
Par ailleurs, le laser joue également un rôle de plus en plus important en tant que technologie d’assemblage pour les microcomposants, lorsque le collage ou l’assemblage par vis n’est pas possible.
Gravure chimique: pour de nombreuses structures
La gravure chimique constitue une solution originale pour la réalisation de petites structures. Il s’agit en fait d’un processus purement chimique visant à retirer de la matière: le métal est dissous. En général, la tolérance est d’environ 10 % de l’épaisseur du matériau. Dans les canaux, il faut respecter des rapports d’aspect d’au moins deux pour un. En termes d’épaisseur de matériau, cette technologie s’applique à des épaisseurs comprises entre 25 microns et 2 millimètres. Dans cette plage, un outil peu coûteux permet de réaliser en une seule fois des milliers, voire des millions de petits trous – ou d’autres formes – sur une fine plaque ou une feuille. Le matériau à l'intérieur de ces trous est éliminé par gravure chimique, sans que le reste ne soit altéré.
Les options en matière de micro-usinage ne cessent de se multiplier
Alors que les autres techniques de micro-usinage sont principalement en concurrence avec les procédés d’usinage par enlèvement de matière, la gravure chimique peut davantage être considérée comme une alternative à la découpe laser de films minces. La grande différence réside dans le fait que le laser découpe point par point, tandis que la gravure chimique réalise toutes les formes en une seule fois dans la pièce. De plus, il s’agit d’un procédé à froid. La condition préalable est toutefois que le matériau soit adapté ; les superalliages et l’acier inoxydable conviennent particulièrement bien, contrairement au titane.
L'importance de l'intégration des procédés
Outre les aspects technologiques, l’intégration de ces procédés dans un environnement de production automatisé joue un rôle crucial. Alors qu’auparavant, il fallait aligner manuellement les électrodes pour l’EDM ou le PECM, les systèmes modernes de serrage à point zéro et le chargement robotisé garantissent désormais un rendement constant et une plus grande précision. Ceci est essentiel car les marges de tolérance dans l’industrie de précision sont de plus en plus étroites.
Le choix d’une technique spécifique ne dépend donc pas seulement des propriétés du matériau, mais aussi de la taille de la série souhaitée et de la complexité de la géométrie.
De plus, on observe une tendance vers les machines hybrides, qui combinent par exemple l’ablation laser avec le meulage ou le fraisage assisté par ultrasons. Cela permet aux fabricants de tirer parti des atouts de différentes technologies en un seul serrage.
Les sous-traitants du secteur de la haute technologie devront investir en permanence dans le savoir-faire et un parc de machines de pointe afin de répondre aux exigences extrêmement élevées des clients des industries des semi-conducteurs, de l’aérospatiale et du médical en matière de composants miniatures. Le passage des procédés à chaud aux procédés à froid ouvre de nouvelles possibilités qui sont loin d’être toutes exploitées.